Глава VI. Оптические свойства твердых тел.
В данной главе предполагается кратко рассмотреть основные аспекты взаимодействия фотонов, электронов и атомов в твердых телах. Это взаимодействие является основой поглощения электромагнитного излучения, фотоэлектрических явлений и испускания света различными материалами. Рассматриваемые физические процессы достаточно сложны, т.к. на общую идеализированную картину оптических явлений в кристаллах накладывается неизбежное влияние дефектов кристаллической решетки и возможных внешних воздействий (давления, температуры, электрических и магнитных полей, радиации).
6.1 Поглощение света в кристаллах
Интенсивность света, проходящего через вещество, постепенно уменьшается. Поглощение электромагнитного излучения твердым телом осуществляется различными путями:
1) энергия излучения расходуется на перевод электронов в более высокое энергетическое состояние;
2) энергия электромагнитного поля передается кристаллической решетке и превращается в тепло.
Возможные переходы электронов в кристаллах под действием света показаны схематично на рис. 6-1. Здесь Ес – энергия, соответствующая нижнему краю зоны проводимости, Ev – верхнему краю валентной зоны.
Рис. 6-1. Основные электронные переходы при поглощении света в кристаллах (а),
прямые и непрямые межзонные переходы (б)
Переход 1 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне; он возможен при энергии фотона большей ширины запрещенной зоны и соответствует собственному (т.н. фундаментальному) поглощению. В момент возникновения созданные светом носители заряда могут и не находиться в тепловом равновесии с кристаллической решеткой. Однако вследствие взаимодействия с ней эти носители очень быстро (примерно за 10 -10 с) передают решетке свою избыточную энергию (этот процесс называется термализацией), и поэтому распределение по энергиям избыточных и основных носителей заряда будет одинаковым.
При поглощении света твердым телом возможно и такое возбуждение электрона валентной зоны, при котором он не переходит в зону проводимости, а образует с дыркой связанную кулоновскими силами систему, называемую экситоном (переход 2). Переходы 3 и 4 соответствуют переходам с локальных или на локальные уровни примеси. В ряде полупроводников возможны переходы электрона с акцепторного уровня на свободный донорный уровень (переход 5) или на некоторый связанный внутрицентровый уровень (переход 6). Наконец, возможно поглощение и свободными электронами в зоне проводимости (переход 7).
Рис. 6-1-б демонстрирует различные варианты выполнения законов сохранении энергии и импульса в процессе поглощения света. Переход 1 называется прямозонным, а переходы 1’ и 1’’ являются, соответственно, непрямозонными. В этих переходах явно задействованы также фононы для выполнения законов сохранения.
Экспериментально установлено, что уменьшение потока излучения при его поглощении в среде толщиной dL пропорционально величинам пройденного пути и потока Ф падающего излучения
dФ = -αФ dL
где α – коэффициент пропорциональности, получивший название показателя поглощения. Разделяя переменные и интегрируя, получим т.н. закон Бугера-Ламберта
Ф = Ф0 exp(-αL)
В случае собственного поглощения излучения α ~ 105 см -1, при учете только примесного поглощения α ~ 10-100 см -1, т.к. концентрация примеси обычно существенно меньше, чем концентрация атомов основного вещества.
Типичный спектр поглощения света твердым телом показан на рис. 6-2.
Рис. 5-2. Зависимость показателя поглощения от энергии кванта света
Собственное поглощение света начинается при частоте ν0 (область 1), на краю которого при низких температурах хорошо проявляется структура экситонного поглощения света (область 2). Примесное поглощение создает полосы 3-6. в широком диапазоне присутствует слабое поглощение света свободными носителями заряда – полоса 7, и наконец, при малых энергиях квантов излучения хорошо выделяется участок 8, связанный с поглощением ионами кристаллической решетки. В этом случае световая энергия превращается в энергию колебаний ионов, соответствующих т.н. оптической ветви колебаний.